Investigadores de la Universidad de Cádiz, pertenecientes al grupo FQM-334 ‘Estructura y Química de Nanomateriales’ del departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica y Química Inorgánica, han participado, en colaboración con el grupo del profesor Avelino Corma del Instituto de Tecnología Química (ITQ) de Valencia, en un estudio internacional, publicado en la prestigiosa revista Nature Catalysis, que se ha centrado en el desarrollo de un novedoso catalizador para la reacción de deshidrogenación de propano (un proceso elemental para producir una sustancia petroquímica clave, el propileno, una materia prima utilizada para la elaboración de plásticos, tintes y productos farmacéuticos, entre otras cosas). En esta investigación ha sido clave el microscopio de alta resolución Titan Themis 60-300 UCA.

Este estudio se ha basado en la capacidad de modular la estructura de una aleación de platino y estaño a escala atómica con el microscopio de alta resolución Titan Themis 60-300 UCA.

Este avance científico se ha basado en la capacidad de modular a la escala del átomo la estructura de cúmulos de platino y estaño, y ha partido de la idea de que la distribución espacial de los dos elementos, así como sus estados electrónicos pueden ser modificados y, por lo tanto, su reactividad. En condiciones de reacción, la transformación estructural y la reconstrucción de los conjuntos metálicos también pueden ocurrir, lo que puede dar lugar a más cambios en el catalizador en relación a su comportamiento a altas temperaturas.

Los catalizadores basados en platino se utilizan ampliamente para las reacciones de reformado, hidrogenación y deshidrogenación en numerosos procesos industriales debido a sus excelentes propiedades. No obstante, la incorporación de un segundo metal, en este caso el estaño, ayuda a mejorar aún más la selectividad y la estabilidad del proceso cuando la temperatura de reacción es elevada, como ocurre en la reacción de deshidrogenación de propano para obtener propileno. Para entender mejor este punto, se debe indicar que se necesitan temperaturas de reacción de más de 600 grados centígrados para obtener un nivel de producción suficiente de propileno, pero en este contexto se produce una desactivación severa del catalizador debido a la deposición de carbono, entre otros problemas. Así, los catalizadores que se utilizan deben regenerarse de forma continua o en ciclos cortos, lo que hace que el proceso sea poco eficiente y bastante costoso. De ahí la importancia de hallar un catalizador más estable.

En este estudio se han empleado algoritmos matemáticos avanzados basados en el aprendizaje automático para constatar sutiles cambios en las características estructurales de este material.

Una parte también importante de este trabajo se ha centrado en la localización y estudio de la interacción de estas especies metálicas subnanométricas (grupos formados con pocos átomos) dentro de la matriz porosa de estructuras zeoliticas a la escala atómica. Para localizar y entender la interacción entre el platino y el estaño, los investigadores han empleado técnicas de caracterización de vanguardia, siendo clave la microscopia electrónica de transmisión de aberraciones corregidas (TEM, por sus siglas en inglés), técnica existente en la Universidad de Cádiz desde 2015. En concreto, se ha utilizado un microscopio de Ultra Alta Resolución FEI Titan Themis 60-300, doblemente corregido, en sonda y objetivo, único actualmente en España. Este equipo, de características únicas, forma parte de la instrumentación de la División de Microscopía Electrónica de los Servicios Centrales de Investigación Científica y Tecnológica (SC-ICYT) de la UCA, unidad integrada, desde noviembre de 2018, en la Infraestructura Científico Técnica Singular (ICTS) distribuida de Microscopía Electrónica de Materiales ELECMI, del Ministerio de Ciencia e Innovación.

Además de los estudios a escala atómica mediante microscopía electrónica, en este trabajo los investigadores del grupo FQM-334 ‘Estructura y Química de Nanomateriales’ han implementado algoritmos matemáticos avanzados basados en aprendizaje automático para constatar sutiles cambios en las características estructurales de los cúmulos subnanométricos de platino, los cuales no son inmediatamente visibles por las técnicas espectroscópicas convencionales, y que afectan drásticamente su rendimiento en la deshidrogenación del propano.

Referencia bibliográfica: Lichen Liu, Miguel López-Haro, Christian W. Lopes, Sergio Rojas-Buzo, Patricia Concepción, Ramón Manzorro, Laura Simonelli, Aaron Sattler, Pedro Serna, José J. Calvino and Avelino Corma (2020): ‘Structural modulation and direct measurement of subnanometric bimetallic PtSn clusters confined in zeolites’. Nature Catalysis. https://doi.org/10.1038/s41929-020-0472-7